王 濤，楊 強(qiáng)，于冬雪

(1.西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.江西信息應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境工程系，江西 南昌 330043)

0 引言

IPCC2013氣候變化報(bào)告(決策者摘要)指出，氣候變暖過(guò)程導(dǎo)致極端降水事件頻率增加，威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全[1]，如北京2012年7月21日的極端降水事件，產(chǎn)生了極其慘重的后果[2]，且氣候模型模擬的未來(lái)極端降水事件可能被低估[3]。陜北黃土高原地區(qū)是生態(tài)脆弱、水蝕嚴(yán)重、經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速之區(qū)域，極端降水的變化可能對(duì)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響，需要加強(qiáng)相關(guān)研究?jī)?nèi)容。

極端降水事件具有顯著區(qū)域差異[4]。對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)極端降水事件研究結(jié)果表明，長(zhǎng)江中下游、華南地區(qū)、青藏高原東南部、西北地區(qū)北部是極端降水多發(fā)區(qū)[5-7]，各區(qū)域極端降水變化趨勢(shì)較為一致，且未來(lái)極端降水事件有增加趨勢(shì)[8]。已有黃土高原極端降水事件研究集中于時(shí)間突變特征和部分降水指標(biāo)的空間分布格局[9]，需要豐富年代際和更多極端降水指標(biāo)的研究，為陜北黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

極端降水研究的關(guān)鍵內(nèi)容是確定降水閾值，超過(guò)該閾值則定義為極端降水。當(dāng)前閾值設(shè)置方式普遍采用取不同百分位法[10，11]和選取極端降水指標(biāo)方法[12，14]，也有其他方法，如多重分形去趨勢(shì)波動(dòng)分析法(Multifractaldetrendedfluctuationanalysis，MF-DFA)[15]。相比較而言，采用百分位設(shè)置閾值和選取極端降水指標(biāo)方法使用較為普遍，故本文采用百分位閾值和選取極端降水指標(biāo)結(jié)合的方法對(duì)陜北黃土高原地區(qū)極端降水時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，便于與其他區(qū)域極端降水變化進(jìn)行比較。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1.1 研究區(qū)

陜北黃土高原地區(qū)主要包括陜西省榆林地區(qū)(長(zhǎng)城沿線為毛烏素沙地邊緣地帶)和延安地區(qū)，位于107°15′56″E～111°13′10″E，35°21′56″N～39°35′06″N(圖1)。2011年底總?cè)丝跀?shù)為554.64×104人，土地總面積為80 624km2，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度9.5℃，年平均降水量為506.5mm，平均日照時(shí)數(shù)有2540h/a，無(wú)霜期194d。全境屬黃河水系，主要支流有無(wú)定河、延河等[16]。

圖1 氣象站點(diǎn)位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//cdc.cma.gov.cn)，包括位于陜北黃土高原地區(qū)的6個(gè)氣象站點(diǎn)(榆林、吳起、橫山、綏德、延安和洛川)1959～2011年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。對(duì)于降水為微量的數(shù)據(jù)，以0mm代替。對(duì)于雨和雪、霧露霜，取其實(shí)際數(shù)值。站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。研究使用氣象站點(diǎn)位置分布較為均勻，監(jiān)測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，可以代表陜北黃土高原地區(qū)氣象特征，反映區(qū)域內(nèi)極端降水變化趨勢(shì)。

1.3 處理方法

各站極端降水閾值的確定方式采用百分位法。具體方法為，將1959～2011年逐年的日降水量序列由小到大排列，取其第95個(gè)百分位數(shù)的53a平均值定義為極端降水的閾值。當(dāng)某站某日降水量超過(guò)這個(gè)閾值時(shí)，記為一次極端降水事件。

選取的極端降水指數(shù)包括極端降水量、極端降水頻率、極端降水強(qiáng)度、暴雨、大雨。極端降水量表示每年極端降水事件的降水量總和，極端降水頻率為每年發(fā)生極端降水事件的天數(shù)，極端降水強(qiáng)度為極端降水量與極端降水天數(shù)的比值，暴雨定義為日降水量≥50mm，大雨為25mm≤日降水量<50mm[5，10]。

2 結(jié)果分析

2.1 極端降水閾值和極端降水量時(shí)空分布特征

2.1.1 空間分布特征

利用前文介紹數(shù)據(jù)處理方法，獲取陜北黃土高原地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)各站點(diǎn)極端降水閾值，利用ArcGIS軟件“Spatialanalysistool”工具中IDW(InverseDistanceWeighted)插值得到陜北黃土高原地區(qū)極端降水閾值空間分布情況(圖2a)。圖2a表明，陜北黃土高原地區(qū)極端降水閾值自東南向西北遞減，形成洛川附近的高值區(qū)域，大于58mm，以及橫山附近的低值區(qū)域，小于48mm。

圖2 1959～2011年陜北黃土高原地區(qū)極端降水閾值(a)和極端降水量(b)空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of extreme precipitation thresholds(a) and extremerainfall(b) in Loess Plateau of Shaanxi from 1959-2011

基于極端降水閾值獲取各站點(diǎn)逐年極端降水量，以1959～2011年逐年極端降水量的平均值作為各站點(diǎn)的極端降水量，得到陜北黃土高原地區(qū)極端降水量的空間分布情況(圖2b)。圖2b表明，陜北黃土高原地區(qū)極端降水量總體分布符合自南而北、自東而西的遞減規(guī)律，形成4個(gè)中心，分別是洛川、綏德的高值中心，延安、橫山的低值中心。其中，綏德極端降水量最大，超過(guò)98mm/a，橫山站最低，低于80mm/a，二者之差高于18mm/a。陜北黃土高原地區(qū)尤其是榆林地區(qū)是中國(guó)的農(nóng)牧交錯(cuò)帶，地貌類型由黃土高原向毛烏素沙地過(guò)渡、處于中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)的西部邊緣區(qū)域，季風(fēng)的強(qiáng)弱直接影響到該區(qū)域的降水情況。圖2b中，綏德與橫山的距離較近，但極端降水量的差異非常明顯，可能即反映了季風(fēng)對(duì)該區(qū)域的影響狀況。

2.1.2 極端降水量時(shí)間分布特征

以陜北黃土高原地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)極端降水閾值獲取各站點(diǎn)1959～2011年逐年極端降水量，并按1959～1969年、1970～1979年、1980～1989年、1990～1999年和2000～2011年5個(gè)時(shí)期分別統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)極端降水量(表1)。

陜北黃土高原地區(qū)極端降水量整體上表現(xiàn)為1959～1989年減少和1990～2011年增加。1980～1989年是陜北黃土高原地區(qū)極端降水量最少時(shí)期，僅為257.8mm，2000～2011年極端降水量最高，達(dá)到489.4mm。

除榆林、綏德極端降水量變化與總體趨勢(shì)保持一致外，其它4個(gè)站點(diǎn)的變化趨勢(shì)差別較大。吳起極端降水量表現(xiàn)為1959～1989年減少、1990～1999年增加和2000～2011減少，且1980～1989年極端降水量最低，1990～1999年最高。橫山極端降水量1959～1999年為減少階段，2000～2011年為增加階段，其中1970～1979年和1980～1989年兩個(gè)時(shí)期有略微增加，且1990～1999年極端降水量最低，1959～1969年極端降水量最高。延安極端降水量表現(xiàn)與眾不同，1959～1989年為增加階段，1990～2011年為減少階段，且1980～1989年延安極端降水量最高，1959～1969年最低。洛川極端降水量1970～1979年最高，為607.6mm，而1980～1989年極低，僅為69.6mm。

2.2 極端降水頻率和極端降水強(qiáng)度時(shí)空分布特征2.2.1 時(shí)間分布特征

同前文極端降水量的統(tǒng)計(jì)方式，得到極端降水頻率和極端降水強(qiáng)度在不同年代的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)。

表1 不同年代陜北黃土高原地區(qū)極端降水量

表2 不同年代陜北黃土高原地區(qū)極端降水頻率和極端降水強(qiáng)度

極端降水頻率總體表現(xiàn)為1959～1989年減少和1999～2011年增加兩個(gè)階段，且1980～1989年極端降水頻率最低，2000～2011年最高。榆林、橫山、綏德的變化趨勢(shì)與總體趨勢(shì)一致。吳起極端降水頻率最高年份在1990～1999年，延安表現(xiàn)與眾不同，1980～1989年極端降水頻率最高，而洛川2000～2011年極端降水頻率是所有站點(diǎn)同時(shí)期最高的。

極端降水強(qiáng)度總體表現(xiàn)波動(dòng)較大，年代際變化呈現(xiàn)增加-減少-增加-減少過(guò)程，表明研究區(qū)總體極端降水強(qiáng)度不穩(wěn)定。1970～1979年極端降水強(qiáng)度最大，2000～2011年最小。榆林極端降水強(qiáng)度1959～1989年減少，1990～1999年增加，后2000～2011年又減少，最大值在1990～1999年，最低值在1980～1989年。吳起表現(xiàn)為1959～2011年持續(xù)增加，而橫山表現(xiàn)為研究時(shí)段內(nèi)的持續(xù)減少。綏德和延安均表現(xiàn)為1959～1979年先增加，1980～2011年持續(xù)減少。洛川極端降水強(qiáng)度波動(dòng)較為復(fù)雜，總體趨勢(shì)是增加-減少-再增加-再減少。

2.2.2 空間分布特征

取1959～2011年極端降水頻率和極端降水強(qiáng)度的平均值進(jìn)行IDW插值，得到空間分布結(jié)果(圖3)。陜北黃土高原地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)1959～2011年中，存在極端降水的年份數(shù)量分別為榆林23a、吳起21a、橫山21a、綏德21a、延安23a和洛川21a，圖3a結(jié)果反映的是存在極端降水年份的平均極端降水頻率，而非1959～2011年共53a的平均值。

圖3 1959～2011年陜北黃土高原地區(qū)極端降水頻率(a)和極端降水強(qiáng)度(b)空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of frequency(a) and intensity(b)of extreme precipitation in Loess Plateau of northern Shaanxi from 1959-2011

極端降水頻率空間分布形成綏德、榆林兩個(gè)中心區(qū)域，其中綏德為高值中心，中心極端降水頻率高于1.38d/a，榆林為低值中心，中心值低于1.2d/a。極端降水頻率呈現(xiàn)自北而南減少。站點(diǎn)情況為綏德(1.38d)極端降水頻率高于橫山(1.24d)、橫山高于吳起(1.19d)、洛川(1.19d)，榆林(1.17d)和延安(1.17d)最低(圖3a)。

極端降水強(qiáng)度空間分布總體遵循自南而北遞減的變化趨勢(shì)。形成洛川和橫山兩個(gè)中心，其中洛川為高值中心，中心極端降水強(qiáng)度高于80mm/d，橫山為低值中心，中心低于64mm/d，二者之差為16mm/d，可見(jiàn)陜北黃土高原地區(qū)極端降水空間分布具有顯著差異性。榆林、綏德、吳起和延安極端降水強(qiáng)度值分布在70～72mm/d。

2.3 暴雨量和暴雨日數(shù)時(shí)空分布特征2.3.1 時(shí)間分布特征

按年代統(tǒng)計(jì)陜北黃土高原地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)暴雨和暴雨日數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。陜北黃土高原地區(qū)暴雨量(日降水量≥50mm)總體表現(xiàn)為1959～1989年減少時(shí)期和1990～2011年的增加時(shí)期，且2000～2011年暴雨量最大，1980～1989年最小。榆林站點(diǎn)暴雨量變化趨勢(shì)與總體變化趨勢(shì)一致。吳起表現(xiàn)為1959～1989年減少，1990～1999年增加，2000～2011年又減少的變化過(guò)程，且1990～1999年暴雨量最大，最小值也為1980～1989年。橫山和綏德暴雨量變化趨勢(shì)較為相近，均表現(xiàn)為1959～1999年減少和2000～2011年增加，且橫山暴雨量最大值在1959～1969年，最小值在1990～1999年；綏德最大值在2000～2011年，最小值在1980～1989年。延安和洛川暴雨量變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，波動(dòng)明顯。洛川暴雨量最大值和最小值分布階段與總體表現(xiàn)一致，延安最大值在1980～1989年，而最小值在1990～1999年。

表3 不同年代陜北黃土高原地區(qū)暴雨量和暴雨日數(shù)

陜北黃土高原地區(qū)暴雨日數(shù)總體表現(xiàn)為1959～1989年減少和1990～2011年增加階段，最大值在2000～2011年，最小值在1980～1989年。榆林暴雨日數(shù)變化趨勢(shì)與總體一致。吳起暴雨日數(shù)最大值在1990～1999年。橫山和綏德變化趨勢(shì)相同，均為1959～1999年減少，2000～2011年增加。延安和洛川暴雨日數(shù)與暴雨量的變化趨勢(shì)一致，且2000～2011年延安和洛川的暴雨日數(shù)是6個(gè)氣象站點(diǎn)中最多的。

2.3.2 空間分布特征

暴雨量和暴雨日數(shù)IDW空間插值結(jié)果見(jiàn)圖4。圖4a表明，陜北黃土高原地區(qū)1959～2011年平均暴雨量空間分布呈現(xiàn)多個(gè)中心，分別是綏德、榆林的高值中心，橫山、吳起的低值中心。其中以綏德暴雨量最大，超過(guò)96mm，橫山最低，低于76mm，二者相差20mm，反映了暴雨量分布的區(qū)域性較強(qiáng)?？傮w上暴雨量在陜北黃土高原地區(qū)呈現(xiàn)自東而西的減少趨勢(shì)。圖4b反映出陜北黃土高原地區(qū)暴雨日數(shù)以綏德、延安為高值中心，橫山、吳起為低值中心，綏德和延安暴雨日數(shù)均超過(guò)1.38d，而橫山和吳起暴雨日數(shù)均低于1.17d，與暴雨量空間分布趨勢(shì)相同，呈自東而西的減少趨勢(shì)。

圖4 1959～2011年陜北黃土高原地區(qū)暴雨量(a)和暴雨日數(shù)(b)空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of precipitation(a)and frequency(b)of rainstormin Loess Plateau of northern Shaanxi from 1959-2011

2.4 大雨量和大雨日數(shù)時(shí)空分布特征

2.4.1 時(shí)間分布特征

陜北黃土高原地區(qū)大雨量和大雨日數(shù)年代際統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4?？傮w上，該區(qū)域大雨量在1959～1999年呈持續(xù)減少趨勢(shì)，2000～2011年增加，且最大值在1959～1969年，最小值在1990～1999年。榆林大雨量表現(xiàn)為1959～1979年減少和1980～2011年持續(xù)增加，且2000～2011年值最大，1970～1979年最小。吳起1959～1989年減少，1990～2011年增加，最大值為2000～2011年，最低值在1980～1989年。橫山和洛川變化趨勢(shì)一致，即1959～1999年持續(xù)減少，2000～2011年增加。橫山最大值在1959～1969年，洛川在2000～2011年，最低值二者均在1990～1999年。綏德總體為減少趨勢(shì)，在2000～2011年出現(xiàn)增加趨勢(shì)。延安大雨量變化過(guò)程復(fù)雜，存在減少-增加-再減少-再增加的變化過(guò)程。

陜北黃土高原地區(qū)大雨日數(shù)總體呈減少趨勢(shì)，2000～2011年出現(xiàn)增加，但并未超過(guò)1959～1969年。6個(gè)氣象站點(diǎn)均表現(xiàn)出1959～1969年和2000～2011年是大雨日數(shù)最多時(shí)期，1970～1999年是大雨日數(shù)較少時(shí)期，僅延安在1980～1989年間存在例外情況。反映該地區(qū)在20世紀(jì)60年代是大雨日數(shù)較多的時(shí)期，后經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)30a的大雨日數(shù)減少時(shí)期，近10多年來(lái)大雨日數(shù)又表現(xiàn)出較快的增加速度，且部分站點(diǎn)2000～2011年的大雨日數(shù)超過(guò)了1959～1969年，如吳起、洛川。

2.4.2 空間分布特征

陜北黃土高原地區(qū)大雨量和大雨日數(shù)1959～2011年平均值的IDW空間插值結(jié)果見(jiàn)圖5。圖5a表明，年平均大雨量在空間上存在兩個(gè)明顯中心，分別是洛川高值中心，高于190mm；橫山低值中心，低于115mm。延安年平均大雨量高于綏德、吳起、榆林?？傮w呈自南而北的減少趨勢(shì)。圖5b反映出陜北黃土高原地區(qū)大雨日數(shù)與大雨量空間分布形式相近，自南而北遞減，也存在洛川高值中心和橫山低值中心。洛川大雨日數(shù)高于4.8d/a，橫山低于3d/a。

表4 不同年代陜北黃土高原地區(qū)大雨量和大雨日數(shù)

3 結(jié)論

以陜西北部黃土高原地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)1959～2011年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算極端降水閾值，獲取各站點(diǎn)閾值及其極端降水量、極端降水頻率和極端降水強(qiáng)度，并結(jié)合暴雨量和暴雨日數(shù)、大雨量和大雨日數(shù)對(duì)該地區(qū)極端降水事件時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

(1)陜北黃土高原地區(qū)各極端降水指數(shù)空間上均呈現(xiàn)自東南向西北的遞減趨勢(shì)；年代際統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，各極端降水指數(shù)均以1959～1969年和2000～2011年數(shù)值最大，1970～1999年數(shù)值較小，反映出該區(qū)域極端降水經(jīng)歷了近30年的持續(xù)減少后，近10多年增加較快，甚至超過(guò)了最初的1959～1969年。

圖5 1959～2011年陜北黃土高原地區(qū)大雨量(a)和大雨日數(shù)(b)空間分布圖
Fig.5Spatialdistributionofprecipitation(a)andfrequency(b)ofheavyraininLoessPlateauofnorthernShaanxifrom1959～2011

(2)陜北黃土高原地區(qū)極端降水閾值和極端降水量呈自東南向西北的遞減規(guī)律。極端降水量年代際變化趨勢(shì)表現(xiàn)為1959～1989年的減少，1990～2011年增加，且2000～2011年極端降水量最大。

(3)極端降水頻率1959～1969年和2000～2011年最大，1970～1999年較小，且2000～2011年超過(guò)1959～1969年。極端降水強(qiáng)度變化趨勢(shì)不明顯，最大值在1970～1979年，最小值在2000～2011年?？臻g分布上極端降水頻率以綏德最高，榆林最低；極端降水強(qiáng)度以洛川最高，橫山最低。

(4)暴雨量和暴雨日數(shù)均以1959～1969年和2000～2011年較高，且后者高于前者；空間分布上暴雨量和暴雨日數(shù)表現(xiàn)形式相近，呈自東而西的遞減趨勢(shì)，形成以綏德和延安為中心的高值區(qū)域，以橫山和吳起為中心的低值區(qū)域。大雨量和大雨日數(shù)也以1959～1969年和2000～2011年較高，但后者低于前者?？臻g分布上呈自南而北的遞減趨勢(shì)，均形成以洛川為中心的高值中心，以橫山為中心的低值中心。

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